In vitro und in vivo Biokompatibilität einer neuartigen, 3-dimensionalen Cellulose-Matrixstruktur

Zusammenfassung

Hintergrund: Die biochemischen und physikalischen Eigenschaften von Matrices sind von entscheidender Bedeutung bei der Geweberegeneration. In dieser Studie wurde die neuartige, aus Cellulose bestehende, 3-dimensionale Matrix Xellulin^® angewendet und in Hinblick auf die Biokompatibilität und Eignung zur Geweberegeneration in vitro und in vivo evaluiert.

Material und Methoden: Die zu evaluierende Matrix Xellulin^® ist eine natürliche hydrologische Gel-Matrix, die aus bakterieller Cellulose und Wasser besteht. In vitro erfolgte eine Besiedelung und Kultivierung der Matrix mit humanen Fibroblasten zur Evaluation der Biokompatibilität und des Zellverhaltens im Hinblick auf Adhärenz und Proliferation. In vivo wurden Präadipozyten, isoliert aus den inguinalen Fettkörpern von 4 bis 6 Wochen alten Wistar-Ratten, in 3 Cellulose-Matrices unter 3 unterschiedlichen Bedingungen transplantiert: a) mit 500 000 Präadipozyten subkutan, b) mit 500 000 Präadipozyten vaskularisiert in einem In-vivo-Bioreaktor, c) ohne Präadipozyten subkutan als Kontrolle. Nach Explantation am 14. postoperativen Tag erfolgte die histologische (Zellmorphologie) und immunhistochemische Evaluation (Kapillarisierung).

Ergebnisse: In vitro zeigt sich eine ausgezeichnete Biokompatibilität mit guter Adhärenz der Fibroblasten auf der Matrix mit nachgewiesener Proliferation und Ausbildung eines 3-dimensionalen Zellnetzwerkes. In vivo kann in allen Versuchsgruppen eine Kapillarisierung entlang der vorgegebenen Kapillarbettstrukturen mit Nachweis von Erythrozyten (H/E-Färbung) sowie die Präsenz von Endothelzellen (RECA-1-Immunhistochemie) nachgewiesen werden. Eine signifikant höhere Kapillarisierung zeigt sich in der vaskularisierten Bioreaktor-Gruppe (18,4 vessels/100 000 µm² (Gruppe b) vs. 8,1 (Gruppe a), p<0,05). Die Zelldichte ist ebenso in der vaskularisierten Bioreaktor-Gruppe am höchsten, ohne eine Signifikanz zu erzielen. Eine immunogene Reaktion auf die Cellulose-Matrix zeigt sich nicht.

Schlussfolgerung: Die positiven Ergebnisse in vitro bezüglich der Zelladhärenz und Proliferation in der Cellulose-Matrix bestätigt sich in vivo mit zusätzlicher Ausbildung von 3-dimensionalen Kapillarbettstrukturen. Das Zell-Überleben ist nach Tag 14 bei Verwendung des vaskularisierten In-vivo-Bioreaktors verbessert, jedoch nicht signifikant. Eine neuerliche Versuchsserie über einen längeren Zeitraum (28–42 Tage) ist erforderlich, um das langfristige Zell-Überleben und die Stabilitätsvorteile der Cellulose-Matrix als vielversprechende Matrix in der Geweberegeneration zu evaluieren. Des Weiteren sind Studien hinsichtlich des Gewebeeinbaues in umliegende Nachbarstrukturen sowie Langzeit-Biokompatibilitätsstudien notwendig.

Abstract

Background: Biological and physical characteristics of matrices are one essential factor in creating bioartificial tissue. In this study, a new 3-dimensional cellulose matrix (Xellulin^®) was tested in terms of biocompatibility and applicability for tissue engineering in vitro and in vivo.

Materials and Methods: The tested matrix Xellulin^® is a natural hydrological gel-matrix containing bacterial cellulose and water. To evaluate the cell biocompatibilty, cell adherence and proliferation characteristics in vitro, the matrix was cultured with human fibroblasts. Further in vivo studies were carried out by transplanting preadipocytes of 4- to 6-week-old Wistar rats with 3 different conditions: a) Xellulin^® including 500 000 preadipocytes subcutaneous, b) Xellulin^® including 500 000 preadipocytes within an in vivo bioreactor chamber, c) Xellulin^® without cells subcutaneous as control. After explantation on day 14 histomorphological and immunohistochemical evaluations were performed.

Results: In vitro study revealed an excellent biocompatibility with good cell adherence of the fibroblasts on the matrix and evidence of cell proliferation and creation of a 3-dimensional cell network. In vivo neocapillarisation could be shown in all groups with evidence of erythrocytes (H/E staining) and endothelial vascular cells (RECA-1-staining). A significantly higher vascular density was shown in vascularised bioreactor group (18.4 vessels/100 000 µm² (group b) vs. 8.1 (group a), p<0.05). Cell density was the highest in the vascularised group, but without significant values. No immunogenic reaction to the matrix was noticed.

Discussion: The promising in vitro results concerning cell adherence and proliferation on the tested matrix could be confirmed in vivo with an evidence of 3-dimensional neocapillarisation. Cell survival was higher in the vascularised group, but without significance. Long-term tests (28–42 days) need to be carried out to evaluate long-term cell survival and the matrix stability. Furthermore, studies concerning the implementation of the matrix within anatomic structures as well as long-term biocompatibility are needed.

Schlüsselwörter

Neokapillarisierung - Experimentelle Chirurgie - Matrix

Key words

neocapillarisation - experimental surgery - matrix

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